新型輕質(zhì)超高強(qiáng)NiTi-Al結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為及強(qiáng)韌化機(jī)制

項(xiàng)目完成了超高強(qiáng)定向凝固N(yùn)iTi-Al基金屬間化合物的制備及取向優(yōu)化控制，并揭示其微觀力學(xué)行為和強(qiáng)韌化機(jī)制。[001]取向合金具有高強(qiáng)度和超線彈性，彈性極限最高可達(dá)4%，但其斷口組織處未見(jiàn)位錯(cuò)和孿晶等塑性變形特征。[102]取向合金應(yīng)力應(yīng)變曲線展現(xiàn)出塑性，彈性極限下降為2%左右，有明顯屈服現(xiàn)象，斷口處存在{112}<111> 變形孿晶。SEM原位拉伸結(jié)果發(fā)現(xiàn)[102]取向合金裂紋源首先在脆性強(qiáng)化相Ti2Ni相或Nb /Ti2Ni共生組織中萌生，裂紋擴(kuò)展緩慢，當(dāng)應(yīng)力積累到1500N時(shí)，裂紋擴(kuò)展開(kāi)裂。斷口表面基體組織中發(fā)現(xiàn)較為密集的變形跡線，對(duì)變形跡線進(jìn)一步分析表明，它們包括滑移帶和孿晶，主要是（-211）<111>位錯(cuò)滑移和（12-1）<-111>變形孿晶。TEM原位拉伸結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，在裂紋擴(kuò)展前未發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)和孿晶，裂紋擴(kuò)展同時(shí)在裂尖前方應(yīng)力誘發(fā)形變孿晶，釋放應(yīng)力，裂紋沿孿晶界呈鋸齒狀繼續(xù)擴(kuò)展，引發(fā)裂尖位錯(cuò)形成，應(yīng)力不斷集中與釋放的過(guò)程，使裂尖形態(tài)不斷重復(fù)由尖銳變鈍過(guò)程。TEM高分辨發(fā)現(xiàn)在部分變形孿晶界上發(fā)現(xiàn)了ω相析出，與基體的取向關(guān)系為[-113]B2//[2-1-1-3]ω, (110)B2//(1-101)ω和 (2-11)B2//(0-110)ω，ω相晶格常數(shù)與bcc基體關(guān)系如下：a_ω=√2 a_bcc，c_ω=√3?2 a_bcc，c_ω?a_ω ≈0.612，空間群為D_6h^1 (P6?mmm)，其慣習(xí)面位于bcc基體相的{112}面。高溫拉伸時(shí)富Nb相和Ti2Ni相動(dòng)態(tài)球化，大量納米級(jí)β-Nb相析出，800℃拉伸時(shí)納米相對(duì)位錯(cuò)有一定的釘扎作用。隨著拉伸溫度增加至900℃，有再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，納米級(jí)β-Nb粗化，Nb的固溶強(qiáng)化作用和對(duì)位錯(cuò)釘扎作用減弱，高溫強(qiáng)度取決于納米Nb析出相與位錯(cuò)交互強(qiáng)化作用，Nb析出后引起固溶強(qiáng)化效果弱化以及高溫再結(jié)晶軟化幾方面共同作用。在NiTi-Al基合金中發(fā)現(xiàn)了一種含20%Nb的新強(qiáng)化相，具有孿晶或非孿晶兩種形態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)確定為底心單斜結(jié)構(gòu)：a = 0.987 nm, b = 0.504 nm, c = 1.172 nm, α = γ = 90°, β = 130.18°，空間群為C2/c。NiTi-Al金屬間化合物通過(guò)取向優(yōu)化和成分優(yōu)化可獲得塑性、高強(qiáng)度、高彈性極限的良好匹配。完成了項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，并達(dá)到研究目標(biāo)。 2100433B

NiTi-Al金屬間化合物是有望滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫區(qū)使用的超高強(qiáng)新型結(jié)構(gòu)材料。申請(qǐng)者前期采用定向凝固和微合金化法獲得了拉伸強(qiáng)度超過(guò)2000MPa，斷裂韌性為35 MPaom^1/2以上的B2型NiTi-Al金屬間化合物，其力學(xué)特性表現(xiàn)為超線彈性變形及韌性斷裂特征，既不同于B2結(jié)構(gòu)NiAl和FeAl的脆性斷裂行為，也不同于NiTi形狀記憶合金馬氏體相變引起的偽彈性行為。TEM表明，NiTi-Al超高強(qiáng)度和韌性斷裂與其形變孿晶與位錯(cuò)、析出相及微裂紋萌生均發(fā)生了相互作用有關(guān)。本項(xiàng)目擬以定向凝固N(yùn)iTi-Al結(jié)構(gòu)材料為研究對(duì)象，闡明其宏觀力學(xué)行為，確定高強(qiáng)度和高韌性的關(guān)鍵可控因素，明確孿晶形成機(jī)理，孿晶與位錯(cuò)、共格析出相、以及微裂紋萌生與擴(kuò)展之間相互作用機(jī)制，建立宏觀力學(xué)行為和微觀形變機(jī)制內(nèi)在聯(lián)系，揭示NiTi-Al金屬間化合物力學(xué)行為和強(qiáng)韌化機(jī)理，為發(fā)展新型輕質(zhì)高性能超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料奠定基礎(chǔ)。

泡沫鋁由于其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)及組合性能，在超輕結(jié)構(gòu)-功能應(yīng)用上受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。泡沫鋁獲得規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在于發(fā)展高強(qiáng)韌泡沫鋁的高效連續(xù)制備技術(shù),為此，項(xiàng)目通過(guò)內(nèi)生少量微細(xì)第二相顆粒及低溫物理增粘共同作用下的熔體泡沫穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)均勻性控制機(jī)理、強(qiáng)韌化機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題研究，建立高強(qiáng)韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化制備基礎(chǔ)理論體系，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌泡沫鋁的連續(xù)制備奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)泡沫鋁工業(yè)的發(fā)展。 在內(nèi)生少量微米第二相（Al-Si-Fe-Mg系）及低溫物理增粘（低于常規(guī)發(fā)泡溫度10-20℃）的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了Al-Si系合金熔體泡沫的穩(wěn)定性控制。熔體泡沫的穩(wěn)定，一是通過(guò)降低熔體溫度提高粘度，通過(guò)粘度的提高穩(wěn)定熔體泡沫結(jié)構(gòu)；二是內(nèi)生少量微細(xì)第二相，通過(guò)第二相對(duì)粘度的作用、第二相空間網(wǎng)絡(luò)對(duì)熔體流動(dòng)的阻礙作用、部分元素（如Mg）降低熔體表面張力的作用，提高熔體泡沫的穩(wěn)定性。另外，在Al-Fe-Si系合金中添加0.5%的稀土元素后，發(fā)現(xiàn)可泡沫化熔體的Fe含量可以從2%降低到0.2%。此現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為Al-Fe-Si-Mg系合金泡沫的強(qiáng)韌化奠定了成分基礎(chǔ)。 研究獲得了TiH2在鋁熔體中的分散性、氣泡的非均勻形核、TIH2的表面處理及其分解特性變化等規(guī)律，對(duì)二次發(fā)泡泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)控制規(guī)律有了深入的了解。 采用二次發(fā)泡法制備了平均孔徑3.5 mm、孔隙率80%的ZL111合金泡沫，研究了變質(zhì)處理、T6熱處理對(duì)ZL111合金泡沫組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：T6熱處理后，Y&Sr復(fù)合變質(zhì)的ZL111合金泡沫，其α-Al保持了原先的變質(zhì)效果，共晶硅呈球狀且分布均勻，并在晶界析出彌散分布的第二相CuAl2及Al9FeMg3Si5；Y&Sr復(fù)合變質(zhì)的ZL111合金泡沫，其屈服強(qiáng)度從未熱處理、未變質(zhì)的13.3MPa 增加到T6熱處理后的22.6 MPa、致密化應(yīng)變從59.3%增加到76.9%、能量吸收值從4.87 MJ/m3增加到13.77 MJ/m3。 本研究的意義在于，改變了傳統(tǒng)熔體發(fā)泡制備泡沫鋁的Ca增粘穩(wěn)定熔體泡沫模式，實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)生少量微米第二相及低溫物理增粘條件下的熔體泡沫穩(wěn)定性控制，為泡沫鋁的連鑄-二次發(fā)泡連續(xù)制備奠定了基礎(chǔ)。研究表明，該設(shè)想是可行的。該研究對(duì)于開(kāi)發(fā)高性價(jià)比泡沫鋁提供了科學(xué)、可行的方法和技術(shù)，對(duì)推動(dòng)泡沫鋁的工業(yè)應(yīng)用有重要意義。

泡沫鋁由于其獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)及組合性能，在超輕結(jié)構(gòu)-功能應(yīng)用上受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。泡沫鋁獲得規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵在于發(fā)展高強(qiáng)韌泡沫鋁的高效連續(xù)制備技術(shù),為此，項(xiàng)目提出：在內(nèi)生少量微細(xì)第二相顆粒作用下獲得兼?zhèn)淇蛇B鑄、可泡沫化和可強(qiáng)韌化特征的鋁合金熔體，通過(guò)先驅(qū)體連鑄、先驅(qū)體二次泡沫化及泡沫鋁強(qiáng)韌化處理，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌泡沫鋁的連續(xù)制備。項(xiàng)目通過(guò)內(nèi)生少量微細(xì)第二相顆粒及低溫物理增粘共同作用下的熔體泡沫穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)均勻性控制機(jī)理、強(qiáng)韌化機(jī)制、連鑄溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等科學(xué)問(wèn)題研究，建立高強(qiáng)韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化制備基礎(chǔ)理論體系，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌泡沫鋁的連續(xù)制備奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)泡沫鋁工業(yè)的發(fā)展。